材料的光学性能

第10章材料的光学性能(Opticalpropertiesofmaterials)110.1光与材料的作用(Interactionbetweenlightsandmaterials)10.1.1光的物理本质(Physicalessenceoflights)2可见光：波长处于人眼能够感知范围的那部分电磁波，波长范围很窄颜色随波长改变。白光是各色光的混合3光波也由电场分量与磁场分量组成，这两种分量彼此垂直且都垂直于光的传播方向。电磁波在真空中的传播速度c=3×108m/s，且有001c其中0和0分别为真空中的介电常数和磁导率。4光在非真空介质中传播时光速其中和分别为介质的介电常数和磁导率，r和r分别为材料的相对介电常数和相对磁导率。rr1cv考虑光的量子性，将光看成粒子，其能量量子即为光子，光子的能量hchE其中为频率，为波长，h为普朗克常数。510.1.2光与材料作用的一般规律(Generalrulesoftheinteractionbetweenlightsandmaterials)6(a)吸收；(b)散射；(b)透射；(b),(c),(d)反射。7入射到材料表面的光的能流率为0W/m2，则有0=T+A+R+S其中T、A、R、S分别是透射、吸收、反射、散射的能流率。用0除等式两边，则有T+A+R+S=10TT0AA0RR0SS分别称为透射率、吸收率、反射率和散射率。折射、反射、散射、吸收各有其微观机制——光与固体中的原子、离子、电子等的相互作用8光子与固体材料的相互作用的本质有两种方式：电子极化电子能态转变从微观上分析，其实就是光子与固体材料的原子、离子、电子之间的相互作用9第一：引起材料中的电子极化——光波的电场分量与传播路径上的原子作用，造成电子云的负电荷中心与原子核的正电荷中心发生相对位移——光的部分能量被吸收，光速降低——折射。第二：引起材料中电子能态的改变。光子能量恰好为孤立原子两能级差，将电子激发到高能级。光子消失——吸收10这种吸收的条件为E=hij其中i、j为原子中电子的两个能级，E=Ei-Ej为这两个能级的能级差，ij为能量恰好为这一能级差的光子的频率，h为普朗克常数。——只有能量为电子能级差的光子才能被吸收——可被孤立原子吸收的光子是不多的。固体中——能带准连续，不同能量（频率）的光子都有可能被吸收。吸收了光子的电子处于高能量的受激态——不稳定——又会按不同途径衰变返回基态，同时发射不同波长（能量）的电磁波受激电子又直接衰变回原能级——发射与入射光同样波长的光波——反射1112受限于人们的视野，受制于我们所接触的世界尺度！光波的传播方向光波等相面在某个时刻其上各点相位取等值的曲面称为等相面。13①光在均匀介质中的直线传播定律;②光通过两种介质的分界面时的反射定律和折射定律;③光的独立传播定律和光路可逆性原理。在日常生活和实验的基础上，人们简单明了地总结：几何光学10.1.3金属材料对光的吸收和反射(Absorptionandreflectionofmetallicmaterialstolights)14金属对可见光一般不透明——能带结构决定费米能级以上有许多空能级——可吸收不同波长的光子将电子激发到空能级上大部分被激发电子又会衰变回基态，放出与所吸收的光子同波长的光子——反射光15大多数金属的反射率在0.9～0.95之间，其余能量转换成其他形式的能量，如热量金属对不同波长的光的反射能力不同——反射光的波长不同——颜色不同1610.1.4非金属材料对光的反应(Interfactionbetweennon-metalmaterialsandlights)17光从真空进入材料时速度降低，光在真空中的速度c和材料中的速度v之比即为材料的折射率n=c/v当光从材料1中通过界面进入材料2时，在材料1中入射光与界面法线所成的角即入射角为i1，在材料2中折射光与界面法线所成的角即折射角为i21非金属材料对光的折射21122121sinsinvvnniinn21：称为材料2相对于材料1的相对折射率，n1、n2分别为材料1、2的折射率，v1、v2分别为材料1、2中的光速。18由材料中的光速与介电常数和磁导率的关系可得其中r和r分别为材料的相对介电常数和相对磁导率。大多数非金属材料的磁性很弱，r1，有rrvcnrn由于r1，材料的折射率总是大于1的。大离子可以使原子的正负电荷中心产生较大的相对位移，r增大——可用大离子构成高折射率的材料，小离子构成低折射率的材料。19均质介质（非晶态材料和立方晶系的晶体）：对光是各向同性的，只有一个折射率。非均质介质（非立方晶系的晶体）：光线入射到该介质中会产生双折射现象，即出现两条振动方向相互垂直、转播速度不等的折射线。双折射导致双折射率：平行于入射面的光线的折射率为常数，与入射角无关，称为常光折射率n0，严格服从折射定律；另一条与之垂直的光线不严格遵守折射定律，所构成的折射率的大小随入射光方向变化，称为非常光折射率ne。双折射现象例如对石英，n0和ne分别为1.543和1.552；对方解石，n0和ne分别为1.658和1.486。一般沿晶体密堆方向ne较大。2021材料折射率的影响因素(1)当离子半径增大时，因而n也随之增大。(2)材料的结构、晶型和非晶态双折射是非均质晶体的特性(3)材料所受的内应力(4)入射光波长光的色散光在介质中的传播速度v随波长而异的现象，亦即介质的折射率随着波长而变化，这种现象称为光的色散。1672年牛顿首先利用三棱镜的色散效应把日光分解为彩色光带。为了表征介质折射率随波长的变化快慢程度和趋势，引入介质色散率的概念。定义为：介质的折射率对波长的导数dn/d2223一.正常色散测量不同波长的光线通过棱镜的偏转角，就可算出棱镜材料的折射率n与波长λ之间的依赖关系曲线，即色散曲线。24实验表明：凡在可见光范围内无色透明的物质，它们的色散曲线形式上很相似，其间有许多共同特点，如n随λ的增加而单调下降，且下降率在短波一端更大，等等。这种色散称为正常色散。当白光通过介质发生正常色散时，白光中不仅紫光比红光偏折的厉害，而且在所形成的光谱中，紫端比红端展得更开。251836年柯西（A.L.Cauchy，1789-1857)给出一个正常色散的折射率随波长变化的经验公式。26正常色散的经验公式：42CBAn上式称为柯西公式，式中A，B，C是与物质有关的常数，其数值由实验数据来确定，当波长变化范围不大时，科希公式可只取前两项，即2BAn则介质的色散率为：32BddnA、B均为正值，上式表明，折射率和色散率的数值都随波长的增加而减小，当发生正常色散时，介质的色散率小于零。反常色散27对介质有强烈吸收的波段称为吸收带。实验表明，在强烈吸收的波段，色散曲线的形状与正常色散曲线大不相同。若向红外区域延伸，并接近吸收带时，色散曲线开始与柯西公式偏离（见图中R点）。如图所示为一种在可见光区域内透明的物质（如石英）在红外区域中的色散曲线，在可见光区域内色散是正常的，曲线（PQ段）满足柯西公式。28在吸收带内因光极弱，很难推测到折射率的数据。过了吸收带，色散曲线（ST段）又恢复正常的形式，并满足柯西公式在吸收带内，折射率随波长的增加而增加，即dn/d0,与正常色散相反，这种现象称为反常色散。所有介质在透明波段表现出正常色散；而在吸收带内表现出反常色散。F.-P.勒鲁于1860年首先在碘蒸气棱镜内观察到反常色散现象。三合镜：由两片凹凸透镜中央夹一片双凸透镜组成。优点：消像差和色差29光线从一种透明介质进入另一种折射率不同的介质时，总有一部分光线在界面处被反射。光线垂直于或接近垂直于界面入射时，反射率2非金属材料对光的反射21212nnnnRn1、n2：两种介质的折射率。如果是从真空或空气射入到某种材料，则有211nnRn：该材料的折射率——折射率高则反射率高30除了真空，没有一种物质对电磁波是绝对透明的，光进入物质，使带电粒子受迫振动，一部分光能振动能平均动能。使分子热运动能量增加，即光能转化成热能，光能减少吸收。分子碰撞313非金属材料对光的吸收光从介质1进入介质2后可发生连续多次的反射和折射，反射光强是各次反射的总强度，透射光强是在介质2中反复传播过程中吸收和散射损失以及反射以外的光的总强度。32吸收机理：电子极化，电子受激吸收光子跃迁——到禁带以上的能级或禁带中的杂质或缺陷能级显然光子能量E大于禁带宽度Eg-将电子从满价带激发到空导带上，并在价带留下一个空穴。gEhchc为真空中的光速，和分别为光的频率和波长33可计算出Eg3.1eV时波长最短的紫光（0.4m）也不能将电子激发——不吸收可见光——可能是无色透明的。Eg1.8eV时波长最大的红光（0.7m）也可将电子激发到空导带中——吸收所有颜色的可见光，不透明。对于1.8eVEg3.1eV的非金属材料，则可能吸收波长较短（部分颜色）的可见光——可能是带色透明的。34——禁带较宽的介电材料不纯时也可吸收光子杂质和缺陷在禁带中引入中间能级，使低能量光子能够将电子从满价带激发到中间能级或从中间能级激发到空导带，吸收光子。35不同材料对电磁波（光）的吸收率与波长的关系红外吸收，与晶格振动有关，离子的弹性振动与光子辐射发生谐振消耗能量所致金属和半导体的禁带宽度为0或很窄，对可见光有很大的吸收率。36吸收光子后受激发的电子处于高能态，会以不同的形式释放能量，衰变回满价带。电子经中间能级返回满价带，发射出两个低频率光子直接返回满价带，与空穴结合，发射出原频率的光子；电子经中间能级返回满价带，发射出一个低频率光子和一个声子——放热37x,Ix+dx,I+dIIdxdI引进一系数，于是：IdxdIIdxdI即称为物质的吸收系数大量实验证明:入射光强减少量dI/I应与吸收层的厚度dx成正比38吸收系数与吸收率xIIxxeIxICexI0)0(00)(时，lleIlI0在线性光学介质里，于光强无关。但是在光强比较强时，光于物质相互作用的非线性光学效应明显表现出来，此时的与光强有关。比如光限幅效应等。3940称为朗伯特(Lambert）定律。它表明，在介质中光强随传播距离呈指数式衰减。当光的传播距离达到1/a时，强度衰减到人射时的1/e。a越大材料越厚，光就被吸收得越多，因而透过后的光强度就越小。)(00吸收率AIIIax1RTA例：空气的10-5cm-1，玻璃的10-2cm-1，金属的104～105cm-1——金属实际上不透明。I=I0e-x称为材料对光的吸收系数光吸收的线性规律（如上）：在光强不太强时(Laser出现以前)相当精确，Laser发明后，人们获得了光强比原来大几个乃至十几个数量级的光源，光和物质的非线性作用显示出来非线性光学。这时，将与其它许多系数(如n)一样，与电、磁场或光强有关，朗伯定律不再成立。说明4142散射是一种普遍存在的光学现象。在光通过各种浑浊介质时，有一部分光会向四方散射，沿原来的入射或折射方向传播的光束减弱了，即使不迎着入射光束的方向，人们也能够清楚地看到这些介质散射的光。这种现象就是光的散射。广场激光表演。划破夜空，射向天空的激光，就是利用了光的散射现象。4非金属材料对光的散射43光在通过气体、液体、固体等介质时，遇到烟尘、微粒、悬浮液滴或者结构成分不均匀的微小区域，都会有一部分能量偏离原来的传播方向而向四面八方弥散开来的现象。1、概念：光的散射2、后果：光的散射导致原来传播方向上光强的减弱。介质中含有折射率不同的第二相粒子、晶界、气孔、夹杂物等不均匀结构，使光偏离原来的折射方向，从而引起光的散射。经散射后的射出介质的光强度I=I0e-Sx其中I0为光射入介质时的强度；x为介质的厚度；